【本学研究者情報】

〇金属材料研究所　助教　Soungmin Bae
金属材料研究所　教授　熊谷悠
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 2次元半導体MoS?（二硫化モリブデン）中に、27種の元素をそれぞれドーピング^（注１）した際の安定な原子構造と電気特性を、高精度な理論計算を用いて予測しました。
• 通常の半導体とは異なり、全ての添加元素において、電気を運ぶキャリアが局在する状態が安定となることを明らかにしました。
• この発見は、MoS?中の電気伝導が不純物伝導であることを示唆しており、次世代デバイス開発において重要な設計指針を与えます。

【概要】

原子3個分の厚さから成る2次元物質の遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDC）^（注2）の中で代表的な単層二硫化モリブデン（MoS?）は、優れた電気的および光学的特性を持つことから、次世代半導体材料として期待されています。MoS?の電気特性や光学特性を制御するためには、適切な元素を添加すること（ドーピング）によるキャリア導入が必要ですが、これまで実験で検証された効果的な元素はレニウム（Re）など数種類に限られていました。

東北大学金属材料研究所Soungmin Bae（ベ ソンミン）助教、清原慎講師、熊谷悠教授、大学院工学研究科の宮本伊武己大学院生らの研究グループは、二硫化モリブデンに27種類の元素を導入した際の安定な原子構造や電気特性を、密度汎関数理論^（注3）に基づく精緻な計算機シミュレーションにより明らかにしました。その結果、すべての元素において、導入したキャリアが局在する状態が安定となり、通常の半導体で見られる広がった状態とは異なることが分かりました。このことは、不純物を添加したMoS?は、従来想定されていた通常のバンド伝導とは異なり、添加元素間を飛躍しながら移動する不純物伝導が支配的であることを示唆します。この発見はMoS?における普遍的な電気伝導メカニズムを理解する上で重要な発見であり、ドーピングに使用できる元素の範囲を大きく広げました。

今回の研究成果は、2024年12月2日（現地時間）に米国化学会発行の学術誌ACS Nanoに掲載されました。

【用語解説】

注1. 元素ドーピング
特定の元素を半導体に添加することで、半導体の電気伝導度や光学特性を制御する方法です。元素ドーピングにより、物質中に伝導電子や伝導正孔が供給され、電気伝導性を発現します。

注2.遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDC）
遷移金属原子（M）とカルコゲン原子（X）から構成され、一般式 MX? で表される、単層が原子3個分の厚さ（1 nm以下）を持つ層状物質です。次世代の半導体材料として期待されており、デバイス応用が盛んに研究されています。代表的なTMDCには、MoS?や二硫化タングステン（WS?）などがあります。

注3. 密度汎関数理論
量子力学の基本方程式に基づき、物質中の電子の運動を計算する方法で、近年、固体物理の分野で広く用いられている手法です。

【論文情報】

タイトル：Universal Polaronic Behavior in Elemental Doping of MoS₂ from　First-Principle
著者： Soungmin Bae*, Ibuki Miyamoto, Shin Kiyohara, and Yu Kumagai*
*責任著者：東北大学金属材料研究所　教授　熊谷 悠、助教　Soungmin Bae
掲載誌：ACS Nano
DOI：10.1021/acsnano.4c08366

詳細（プレスリリース本文）

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